Ferritisch RVS in Grootkeukentoepassingen
Sinds tientallen jaren bekleden RVS-soorten een stevige positie onder de materialen die gebruikt worden voor de bereiding, opslag, transport en consumptie van levensmiddelen en dranken. De eigenschappen die roestvast staal deze benijdenswaardige status verlenen zijn o.a. corrosieweerstand, mooi aanzien, duurzaamheid, hittebestendigheid, schokbestendigheid, voedselveiligheid en reinigingsgemak. Deze kenmerken worden vooral bepaald door de chemische samenstelling van het RVS-type enerzijds en de oppervlaktetoestand anderzijds.
Door: Ir. Benoît Van Hecke
De belangrijkste eigenschap – de corrosiebestendigheid – wordt bekomen door tijdens het smeltproces minstens 10,5% chroom aan de reeds vanuit het koolstofstaal gekende legeringselementen ijzer en koolstof toe te voegen. Chroom (en niet nikkel) maakt de legering dus roestvast, door de vorming van een dun laagje chroomoxide, dat na beschadiging of bewerking (verspanen, slijpen) automatisch hersteld wordt. Dit wordt bedoeld met de ‘zelfpassiverende eigenschap’ van roestvast staal. Het roestvaste karakter van RVS-oppervlakken in grootkeukens wordt in stand gehouden door regelmatig onderhoud en naspoelen met zuiver water.
Verschillende families roestvast staal
Inzake samenstelling kunnen aan de hand van de gehaltes van de belangrijkste legeringselementen (naast ijzer, koolstof en chroom) een viertal belangrijke families onderscheiden worden, elk met duidelijk verschillende eigenschappen. Het komt er dus op aan om een staaltype te kiezen dat voldoet aan de specificaties die de omgeving en toepassing stelt, maar ook niet meer dan dat. Deze vier families zijn de volgende:
Hoewel de austenitische staalsoorten – die ongeveer tweederde van het wereldverbruik vertegenwoordigen – hun deugdelijkheid afdoende bewezen hebben en de technische eigenschappen van deze staalsoorten geenszins in vraag moeten worden gesteld, hebben de prijsstijgingen van de laatste jaren en vooral de schommelingen waaraan de legeringstoeslag van Ni-gelegeerde types onderhevig is, menige bedrijfsleider of inkoper kopzorgen gebaard. Ferritische roestvaste stalen vormen één van de mogelijke alternatieven om RVS met minder (of zelfs géén) nikkel in te zetten. In hetgeen volgt wordt dieper ingegaan op de mogelijkheden van ferritisch RVS in de grootkeukenbranche.
Magnetisch roestvast staal, contradictie of evidentie?
Het magnetisch karakter van ijzerlegeringen (waaronder de verschillende RVS-families) hangt alleen af van de kristalstructuur en is dus een puur fysische (structuurgebonden) eigenschap. De ene groep legeringen (in metallurgisch jargon: kubisch ruimtelijk gecentreerde kristalstructuren - KRG) kan bijvoorbeeld magnetisch zijn, terwijl een andere groep dat net niét is, zoals de kubisch vlakgecentreerde structuren (KVG). Toevoeging van nikkel of mangaan aan een ijzer-koolstof legering (in principe magnetisch) zorgt voor een andere kristalstructuur, die nietmagnetisch is. Dit verschijnsel heeft niets te maken met corrosieweerstand.
Zoals reeds in de inleiding werd aangehaald is het chroom (en niet zozeer nikkel) dat voor de corrosieweerstand zorgt. Trommels van wasmachines uit (magnetisch) ferritisch RVS (veelal type EN 1.4016) zijn ontworpen om jarenlang aan water en aan detergenten te weerstaan. RVS-voorwerpen uit ons dagelijkse leven tonen dus duidelijk aan dat magnetisme en roestbestendigheid niets met elkaar te maken hebben. Sterker nog, in de keukenbranche wordt magnetisme zelfs aangewend als technologische innovatie: denk maar aan de vlucht die kookpannen, geschikt voor inductie hebben genomen: zonder een – magnetische – ferritische panbodem zou zulks niet realiseerbaar geweest zijn.
Mag het ook ferritisch zijn?
Wanneer het over ferritisch RVS (ook wel ‘chroomstaal’ genoemd) gaat, maken nogal wat klassiek geschoolde metaalbewerkers dezelfde, negatieve associatie “Da’s magnetisch, dat kan dus geen roestvast staal zijn !” In een poging om deze vastgeroeste denkwijze te ontzenuwen, wordt naar het inzetstukje verwezen. Nochtans is het gebruik van ferritisch RVS voor bijvoorbeeld huishoudtoestellen niet nieuw. Als één van de allereerste toepassingen van roestvast staal werd reeds aan het begin van de twintigste eeuw bestek vervaardigd. Decennia later zouden ook talrijke modellen potten en pannen alsook (trommels van) wasmachines de set onmisbare keukentoestellen vervoegen, alle uit ferritisch RVS. Het werkpaard voor deze toepassingen werd geleverd door het staaltype EN 1.4016 (AISI 430) met 17 % Cr en zonder nikkel. Gaandeweg werden er ferritische types ontwikkeld om aan specifieke vereisten te voldoen, zoals bijvoorbeeld:
- lasbaarheid: stabilisatie1 door toevoeging van titaan: EN 1.4510 (AISI 439)
- lasbaarheid, verbeterde corrosieweerstand alsook oxidatieweerstand: EN 1.4509
- corrosieweerstand – inzake pitting – vergelijkbaar met 316: EN 1.4521 (AISI 444)
Voor de samenhang tussen deze types wordt naar de details van het ferritisch gamma KARA (ArcelorMittal Stainless) verwezen. De voor de cateringbranche belangrijkste types staan in tabel 1 opgesomd (zie volgende pagina). Vooraleer op de details van één bepaald staaltype in te gaan, wordt aan de hand van de fysische eigenschap ‘thermische uitzetting’ nog eens toegelicht waarom ferrieten de vergelijking met austenieten niet alleen goed kunnen doorstaan, maar zelfs voordelen opleveren voor het gebruik ervan in de grootkeukenbranche.
1 In tegenstelling tot austenieten, biedt het verbeteren van de lasbaarheid van ferrieten door verlaging van het koolstofgehalte (“L” varianten) geen oplossing (koolstof diffundeert namelijk veel gemakkelijker in ferriet dan in austeniet en blijft dus – ook bij lage koolstofgehaltes – een probleem vormen inzake carbideprecipitatie)
Een eerste voorbeeld betreft het gebruik van roestvast staal voor kookpannen in het typische temperatuursbereik tussen 100 en 200 °C. Tijdens opeenvolgende cycli zal het austenitische staal tot 50% meer vervormen dan ferritische staaltypes. Dit heeft o.a. tot gevolg dat een uniform raakvlak tussen pan en warmtebron minder goed verzekerd wordt. Ontwerpers kunnen met de geringere uitzetting van ferritisch RVS rekening houden. Deze eigenschap van ferritisch RVS houdt ook een voordeel in ten aanzien van materialen als koper en aluminium.
Voor het tweede voorbeeld zoeken we het nog warmer op. RVS-onderdelen voor branders bereiken temperaturen tot 900 °C. Zoals het schema aantoont zal het roestvast staal hierbij onder invloed van de hitte gaan oxideren. Metaal en metaaloxide vertonen echter verschillende fysische eigenschappen wanneer het austeniet betreft. In het geval van ferriet echter, zet het ferritisch RVS in dezelfde mate uit als het overeenkomstige oxide. Zo blijven hechtingsproblemen, veroorzaakt door onderlinge spanningen (als gevolg van ongelijke uitzetting) uit en kan het branderonderdeel ook bij dergelijke cyclische thermische belasting zijn functie blijven vervullen. Ferrieten presteren hier beter dan austenieten. Een nikkelvrij RVS-type voor de cateringbranche Tegen de achtergrond van de uitdagingen die door de basisprijzen alsook door de schommelingen inzake de prijzen van de legeringselementen gesteld worden, stelt ArcelorMittal Stainless Europe een ferritisch staaltype (zonder Ni dus) voor, dat aan de technische vereisten van de cateringbranche het hoofd moet kunnen bieden. Het gaat om EN 1.4509 – X2CrTiNb18, gecommercialiseerd als K41.
De gemiddelde chemische samenstelling is de volgende:
De mechanische eigenschappen bij kamertemperatuur zijn als volgt:
Dit staaltype is door ArcelorMittal Stainless leverbaar als 2B (>1,5 mm) of 2R fabrieksafwerking, alsook geslepen of geborsteld in breedten 1250 en 1500 mm. De maximaal verkrijgbare dikte bedraagt 4 mm. Als troeven voor het gebruik voor grootkeukenuitrusting kunnen geciteerd worden:
- Het chroomgehalte van 17,8 % (typisch), gekoppeld aan de toevoeging van titaan, verzekert de weerstand tegen putcorrosie in zowat 80% van de cateringtoepassingen. In deze contekst kan vermeld worden dat ArcelorMittal Stainless Europe eveneens werk maakt van nieuwe ferritische types die zullen beantwoorden aan verdergaande behoeften van de klanten.
- De afwezigheid van nikkel resulteert in een ferritische structuur die een uitstekende weerstand biedt tegen spanningscorrosie en bovendien een lage thermische uitzettingscoëfficiënt vertoont.
- De dubbele stabilisatie door zowel titaan als niobium zorgt voor een betere vervormbaarheid van de las in de thermisch beïnvloede zone.
- De strikte beheersing van de hoeveelheid toegevoegd titaan laat toe om de oppervlakte decoratief na te bewerken: geslepen of scotch-brite afwerkingen zijn mogelijk.
- De combinatie van het lage koolstofgehalte met de dubbele stabilisatie vergemakkelijken vervormingsoperaties zoals plooien en zelfs persen.
Deze nikkelvrije RVS-soort werd reeds met succes in de praktijk ingezet in de cateringbranche. Gebruikers ervan weten de economische voordelen ten aanzien van klassieke staaltypes naar waarde te schatten en tonen zich bereid om de noodzakelijke technische aanpassingen ten aanzien van austenitische types in hun productieproces door te voeren.
Hierbij kan bij wijze van voorbeeld gedacht worden aan het lassen. Het zal velen verrassend in de oren klinken, maar K41 (EN 1.4509) behoeft geen voor-, noch naverwarming en leent zich tot zowel traditionele vlamboogtechnieken als elektrische weerstandsprocédés. Vanzelfsprekend dient omzichtig omgesprongen te worden met de keuze van het juiste beschermgas: Zo is het verboden om gassen te gebruiken die stikstof of waterstof bevatten, dit om koudscheuren te vermijden. Het beschermgas dient op Argon gebaseerd te zijn. Een eventueel percentage CO2 mag de 2% niet overschrijden, met het oog op het vermijden van carbides.